(57)【要約】【課題】発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上することが可能な燃料電池を提供すること。【解決手段】  アノード１３と、カソード１６と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、アノード及びカソードをそれぞれ囲むとともに、アノードとの間、及び、カソードとの間の少なくとも一方に空間を形成するように配置されたシール部材１９と、膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料供給機構３と、を備え、膜電極接合体における発電反応に必要な物質を空間に導入する開口部ＯＡまたはＯＣが形成されたことを特徴とする。【選択図】      図１
2010108636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノード及び前記カソードをそれぞれ囲むとともに、前記アノードとの間、及び、前記カソードとの間の少なくとも一方に空間を形成するように配置されたシール部材と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記膜電極接合体における発電反応に必要な物質を前記空間に導入する開口部が形成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードと重なる領域に空気導入孔を有するカバープレートを備え、
前記開口部は、前記カバープレートにおいて、前記カソードと前記シール部材との間に形成された前記空間と重なる領域に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され前記アノードと重なる領域に燃料排出口を有する燃料供給部を備え、
前記開口部は、前記燃料供給部において、前記アノードと前記シール部材との間に形成された前記空間と重なる領域に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記開口部は、貫通孔あるいは複数の連通した気孔によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側または前記カソード側に形成された前記空間の底面積に対する前記開口部の面積の割合である開口率は、３０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソードに重なる面積に対する前記空気導入孔の面積の割合と、前記空間の底面積に対する前記開口部の面積の割合との比率が１〜２であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノードに重なる面積に対する前記燃料排出口の面積の割合と、前記空間の底面積に対する前記開口部の面積の割合との比率が１〜２であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記空間の底面積は、前記カソードの面積の１〜１．５倍であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記空間の底面積は、前記アノードの面積の１〜１．５倍であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
このような燃料電池においては、発電反応に必要な物質、例えば燃料や酸化剤（空気中の酸素）を効率良く導入することが求められている。
【０００５】
例えば、特許文献１によれば、複数の電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）の正極側及び負極側のそれぞれに酸素導入孔及び燃料導入孔を有する集電プレート、絶縁プレート、及び、パネルプレートを順次配置し、これらの孔によってパネルプレートからＭＥＡまで到達する開口部が形成された構造の燃料電池が開示されている。このような構造によれば、開口部から拡散層に向けて燃料や酸素が供給可能となる。
【０００６】
また、特許文献２によれば、発電部の空気極に積層された金属シートに空気が通る孔が形成され、しかも空気取り入れ口に設けられた開閉可能な扉を備えた燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００８−０６６１７３号公報
【特許文献２】特開２００５−２２８６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノード及び前記カソードをそれぞれ囲むとともに、前記アノードとの間、及び、前記カソードとの間の少なくとも一方に空間を形成するように配置されたシール部材と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記膜電極接合体における発電反応に必要な物質を前記空間に導入する開口部が形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。
【００１２】
燃料電池１は、主として、起電部を構成する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、を備えて構成されている。
【００１３】
すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００１４】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１５】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００１６】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電機能を有するものである。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
【００１７】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９Ａ及び１９Ｃによってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。すなわち、シール部材１９Ａは、アノード１３を囲むように配置されている。シール部材１９Ｃは、カソード１６を囲むように配置されている。
【００１８】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水（液体及び気体を含む）の一部が含浸されてアノード側への水の還流量と外部への水の蒸散量とのバランスを制御するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００１９】
上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。すなわち、カバープレート２１は、膜電極接合体２のカソード側に配置されている。このカバープレート２１は、カソード１６と重なる（ここでは、カソード１６とカバープレート２１との間に板状体２０など複数の部材が介在する場合を含む）領域に、酸化剤である空気を取入れるための複数の空気導入孔２１Ａを有している。つまり、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａは、カソード１６の直上に位置している。
【００２０】
このようなカバープレート２１は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。この場合、空気導入孔２１Ａは、カバープレート２１の表裏を貫通する貫通孔である。また、カバープレート２１は、例えば多孔体によって形成されても良い。この場合、空気導入孔２１Ａは、複数の連通した気孔によって構成されている。
【００２１】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されている。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。なお、燃料供給機構３は、特定の構成に限定されるものではない。
【００２２】
燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２３】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００２４】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。
【００２５】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、アノード１３と重なる（ここでは、アノード１３と燃料分配板３１Ａとの間に他の部材が介在する場合を含む）領域に形成され、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。このような燃料排出口３３は、細管３４まで貫通した貫通孔である。
【００２６】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００２７】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００２８】
膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。
【００２９】
燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
【００３０】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。
【００３１】
また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。
【００３２】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３３】
さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００３４】
この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００３５】
ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。
【００３６】
ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００３７】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００３８】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００３９】
また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４０】
この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。
【００４１】
すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
【００４２】
上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４３】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４４】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００４５】
ところで、この実施の形態においては、シール部材１９Ａとアノード１３との間、及び、シール部材１９Ｃとカソード１６との間の少なくとも一方に空間が形成されている。このような空間は、膜電極接合体２における発電反応に必要な物質（例えば燃料や酸素）が不足しないように、物質を一時的に貯留するバッファとしての機能を有する。
【００４６】
図１に示した例では、膜電極接合体２のアノード側に空間ＳＡが形成されているとともに、膜電極接合体２のカソード側に空間ＳＣが形成されている。
【００４７】
すなわち、シール部材１９Ａは、アノード１３から離間し、電解質膜１７と燃料供給部３１（あるいは燃料分配板３１Ａ）との間において、アノード１３との間に空間ＳＡを形成するように配置されている。このような空間ＳＡは、アノード１３を取り巻くように形成されている。
【００４８】
シール部材１９Ｃは、カソード１６から離間し、電解質膜１７とカバープレート２１との間において、カソード１６との間に空間ＳＣを形成するように配置されている。このような空間ＳＣは、カソード１６を取り巻くように形成されている。
【００４９】
つまり、空間ＳＡ及びＳＣは、実質的にシール部材１９Ａ及び１９Ｃで囲まれた内側の有効部ＳＥＦＦのうち、膜電極接合体２が配置された領域ＳＭＥＡの外周部に形成されている。
【００５０】
特に、この実施の形態においては、このような空間Ｓに発電反応に必要な物質を導入するための開口部が形成されている。
【００５１】
図１に示した例では、燃料供給機構３の燃料供給部３１（あるいは燃料分配板３１Ａ）には、空間ＳＡに燃料を導入するために、空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが形成されている。つまり、燃料供給部３１は、アノード１３と重なる領域に形成された燃料排出口３３に加え、アノード１３と重ならない領域であって空間ＳＡと重なる領域に形成された開口部ＯＡを有している。このような開口部ＯＡは、細管３４に接続されている。これにより、空間ＳＡには、発電反応に必要な燃料が導入可能となる。このため、膜電極接合体２に対して、十分な燃料を供給することが可能となる。
【００５２】
また、カバープレート２１には、空間ＳＣに空気（あるいは酸素）を導入するために、空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが形成されている。つまり、カバープレート２１は、カソード１６と重なる領域に形成された空気導入孔２１Ａに加え、カソード１６と重ならない領域であって空間ＳＣと重なる領域に形成された開口部ＯＣを有している。これにより、空間ＳＣには、発電反応に必要な空気（あるいは酸素）が導入可能となる。このため、膜電極接合体２に対して、十分な空気（あるいは酸素）を供給することが可能となる。
【００５３】
このような構成によれば、発電反応に必要な物質の導入を促進することが可能となり、出力を向上することが可能となる。なお、上述した例では、膜電極接合体２のアノード側及びカソード側にそれぞれ空間ＳＡ及びＳＣを形成し、それぞれの空間に物質の導入を可能とする開口部ＯＡ及びＯＣを形成したが、少なくとも一方の空間ＳＡまたはＳＣに対して物質の導入を可能とする開口部ＯＡまたはＯＣを形成することにより、発電反応が促進され、出力向上の効果が得られることは言うまでもない。
【００５４】
図２及び図３に示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａに配置された単一のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃにアノード１３と対向するように配置された単一のカソード１６と、を備えている。アノード１３とカソード１６との組み合わせは、電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。
【００５５】
シール部材１９Ａは、電解質膜１７の面１７Ａにおいて、アノード１３に接することなくアノード１３を囲むようにループ状に配置されている。空間ＳＡは、平面的にみて、シール部材１９Ａとアノード１３との間に形成されている。
【００５６】
シール部材１９Ｃは、電解質膜１７の面１７Ｃにおいて、カソード１６に接することなくカソード１６を囲むようにループ状に配置されている。空間ＳＣは、平面的にみて、シール部材１９Ｃとカソード１６との間に形成されている。
【００５７】
また、図４及び図５に示した例では、膜電極接合体２は、複数の単セルＣを有し、単セルＣのそれぞれは、電解質膜１７の平面内において分離して配置されている。すなわち、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａにおいて間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃにおいてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３及びカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。
【００５８】
ここに示した例では、単セルＣのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００５９】
図４などに示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２においては、各単セルＣは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図４などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体１８は、それぞれ４個のアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。
【００６０】
アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣにおいてアノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃのそれぞれは、各単セルＣにおいてカソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃとしては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。
【００６１】
シール部材１９Ａは、電解質膜１７の面１７Ａにおいて、４つのアノード１３に接することなくこれらのアノード１３を囲むように電解質膜１７の周縁に沿ってループ状に配置されている。空間ＳＡは、平面的にみて、シール部材１９Ａと各アノード１３との間に形成されている。
【００６２】
シール部材１９Ｃは、電解質膜１７の面１７Ｃにおいて、４つのカソード１６に接することなくこれらのカソード１６を囲むように電解質膜１７の周縁に沿ってループ状に配置されている。空間ＳＣは、平面的にみて、シール部材１９Ｃと各カソード１６との間に形成されている。
【００６３】
このようにして形成された空間ＳＡに対しては燃料の導入を可能とする開口部ＯＡが連通し、また、空間ＳＣに対しては空気の導入を可能とする開口部ＯＣが連通している。これにより、空間ＳＡに導入された燃料をアノード１３に速やかに且つ十分に供給することができ、膜電極接合体２における燃料の不足を解消できる。また、空間ＳＣに導入された酸素をカソード１６に速やかに且つ十分に供給することができ、膜電極接合体２における酸素の不足を解消できる。このため、出力の向上を図ることが可能となる。
【００６４】
なお、上述した開口部ＯＡ及びＯＣは、貫通孔であっても良いし、複数の連通した気孔によって構成されても良い。
【００６５】
次に、開口部ＯＡまたはＯＣの最適な開口率について検討する。ここで、開口率とは、空間ＳＡの底面積に対する開口部ＯＡの面積の占める割合、あるいは、空間ＳＣの底面積に対する開口部ＯＣの面積の占める割合に相当する。空間ＳＡあるいはＳＣの底面積は、有効部ＳＥＦＦの面積と領域ＳＭＥＡの面積との差分に相当する。
【００６６】
本実施形態においては、開口率は、３０％以上であることが望ましく、また、５０％以上であることがより望ましい。このような最適な開口率の範囲は、発明者によってなされた検証結果に基づくものである。
【００６７】
すなわち、図６乃至図９に示すように、有効部ＳＥＦＦの面積が１２ｃｍ２（３０ｍｍ×４０ｍｍ）であって、その中央部分に実質的な膜電極接合体２の領域（ここでは図２などに示した例のように、単一のアノード１３及び単一のカソード１６が対向している領域）ＳＭＥＡの面積が６ｃｍ２（２０ｍｍ×３０ｍｍ）の燃料電池１を用意する。つまり、空間ＳＡあるいはＳＣは、膜電極接合体２の領域ＳＭＥＡの外周にリング状に形成され、その底面積は、６ｃｍ２である。
【００６８】
なお、図６乃至図９では、燃料電池１をカソード側、つまりカバープレート２１側から見た平面図を図示しており、領域ＳＭＥＡには、空気導入孔２１Ａが設けられている。
【００６９】
図６に示した例は、開口率がゼロ％の場合に相当する。つまり、カバープレート２１には、空気導入孔２１Ａが設けられている一方で、空間ＳＣに連通した開口部は設けられていない。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部は設けられていない。
【００７０】
図７に示した例は、開口率が３０％の場合に相当する。ここでは、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａに加え、膜電極接合体２の短辺に沿って空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが設けられている。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが開口率３０％となるように設けられている。
【００７１】
図８に示した例は、開口率が８０％の場合に相当する。ここでは、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａに加え、膜電極接合体２の短辺及び長辺に沿って空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが設けられている。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが開口率８０％となるように設けられている。
【００７２】
図９に示した例は、開口率が１００％の場合に相当する。ここでは、カバープレート２１において、空気導入孔２１Ａに加え、膜電極接合体２の全周辺に沿って空間ＳＣに連通した開口部ＯＣが設けられている。なお、アノード側においても空間ＳＡに連通した開口部ＯＡが開口率１００％となるように設けられている。
【００７３】
これらの４種類の開口率の異なる燃料電池１を作動させたところ、開口率が高いほど出力密度が向上するものの、開口率が３０％以上で出力密度がほぼ飽和状態となる傾向が確認された。
【００７４】
特に、高電流密度で作動させた場合には、開口率に対する出力密度（相対値）の関係は、図１０に示すような傾向であった。すなわち、開口率が１００％の場合の平均出力密度を１００％としたとき、９０％以上の平均出力密度を得るためには、開口率が３０％以上であればよいことが確認できる。また、開口率が５０％以上であれば、開口率が１００％の場合と同等の平均出力密度（ほぼ１００％の出力密度）が得られることも確認され、開口率は５０％以上とすることがより望ましい。
【００７５】
なお、高電流密度の場合には、開口率がゼロ％の場合には、発電反応に必要な物質が不足するため、平均出力密度は極めて低下してしまう。本実施形態においては、高電流密度とは、開口率がゼロ％の条件で電流を引いたときの平均出力密度がほぼゼロに近い値となり始めるクリティカルな電流密度に相当し、電流密度が１７９ｍＡ／ｃｍ２以上の場合に相当する。図１０に示した例は、電流密度が１７９ｍＡ／ｃｍ２の場合を図示している。
【００７６】
なお、図１１には、低電流密度（１３８ｍＡ／ｃｍ２）で作動させた場合の開口率に対する出力密度（相対値）の関係を示している。このような低電流密度で作動させた場合においても、開口率が高いほど出力密度が向上する傾向が確認された。
【００７７】
上述したように、空間ＳＡ及びＳＣに連通する開口部ＯＡ及びＯＣの開口率を３０％以上とすることにより、十分な出力向上効果が得られ、また、開口率を５０％以上とすることにより、開口率が１００％の場合とほぼ同等の出力密度が得られる。
【００７８】
換言すると、発電反応に必要な物質を膜電極接合体２に十分に供給して出力を向上するためには、開口率を１００％とする必要はない。つまり、開口率が３０％であれば、残りの７０％相当の非開口部つまり空間ＳＡ及びＳＣをカバーしている部分に、回路や補器など周辺機器を設置することができ、スペースを有効に活用することができる。このため、実装効率（あるいはスペースの利用効率）が改善され、延いてはＤＭＦＣを含めたモバイル機器を小型化することが可能となる。
【００７９】
この実施の形態において、カバープレート２１は、カソード１６に重なる面積に対する空気導入孔２１Ａの面積の割合（つまり領域ＳＭＥＡでの開口率）と、空間ＳＣの底面積に対する開口部ＯＣの面積の割合（開口率）との比率が１〜２となるように構成されることが望ましい。
【００８０】
また、この実施の形態において、燃料供給部３１は、アノード１３に重なる面積に対する燃料排出口３３の面積の割合（つまり領域ＳＭＥＡでの開口率）と、空間ＳＡの底面積に対する開口部ＯＡの面積の割合（開口率）との比率が１〜２となるように構成されることが望ましい。
【００８１】
この実施の形態においては、カソード側については、空間ＳＣの底面積は、カソード１６の面積（つまり領域ＳＭＥＡの面積）の１〜１．５倍であることが望ましい。これにより、酸化剤である空気のカソード１６への取り入れ口を広げることができ、膜電極接合体２への供給量を増大させることができる。
【００８２】
また、この実施の形態においては、アノード側については、空間ＳＡの底面積は、アノード１３の面積（つまり領域ＳＭＥＡの面積）の１〜１．５倍であることが望ましい。これにより、燃料のアノード１３への取り入れ口を広げることができ、膜電極接合体２への供給量を増大させることができる。
【００８３】
その結果、単位触媒量あたりの出力を上げることができる。なお、カソード側及びアノード側について、空間の底面積が電極面積の１倍未満である場合には、物質の供給量を十分に増大させることができない。また、カソード側及びアノード側について、空間の底面積が電極面積の１．５倍を超える場合には、燃料電池の体積全体に対する発電部である電極の占める体積が小さくなりすぎるため、燃料供給や発熱のバランスが取りにくく、高出力を得ることが困難となる。
【００８４】
以上説明したように、この実施の形態によれば、発電反応に必要な物質の導入を促進し、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００８５】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００８６】
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００８７】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な他の膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図５】図５は、図４に示した膜電極接合体の平面図である。
【図６】図６は、開口率がゼロ％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。
【図７】図７は、開口率が３０％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。
【図８】図８は、開口率が８０％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。
【図９】図９は、開口率が１００％の燃料電池をカソード側から見た平面図である。
【図１０】図１０は、高電流密度で作動させた場合の開口率に対する出力密度の関係を示す図である。
【図１１】図１１は、低電流密度で作動させた場合の開口率に対する出力密度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体  ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード（空気極）
１７…電解質膜
１８…集電体  １８Ａ…アノード集電体  １８Ｃ…カソード集電体
１９Ａ…シール部材（アノード側）  １９Ｃ…シール部材（カソード側）
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート
３１…燃料供給部  ３１Ａ…燃料分配板
ＳＡ…空間（アノード側）  ＳＣ…空間（カソード側）
ＯＡ…開口部（アノード側）  ＯＣ…開口部（カソード側）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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